Классификация углеродистых сталей: марки, маркировка, свойства, применение. Углеродная (углеродистая) сталь: виды, производство и применение Углеродистая сталь характеристики

Углеро́дистая сталь - нелегированная конструкционная или инструментальная сталь, содержащая менее 2, 14% углерода . Углеродистые стали классифицируют по структуре, способу производства и раскисления, по качеству. По структуре углеродистая сталь может быть доэвтектоидной (содержит до 0, 8% углерода, структура состоит из феррита и перлита), эвтектоидной (содержит около 0, 8% углерода, структура состоит только из перлита), заэвтектоидной, (содержит 0, 8-2, 14% углерода, структура состоит из зерен перлита, окаймленных сеткой цементита). По способу производства различают углеродистые стали, выплавленные в электропечах, мартеновских печах и кислородно-конвертерным способом. По способу раскисления различают кипящие, полуспокойные, спокойные стали. По назначению углеродистые стали делятся на конструкционные стали и инструментальные стали ; существует также группа углеродистых сталей специального назначения. По содержанию углерода углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые, с содержанием углерода до 0, 25 %; среднеуглеродистые, с содержанием углерода в 0, 3-0, 6%; высокоуглеродистые, с содержанием углерода выше 0, 6%. Различают также обыкновенные углеродистые стали и качественные углеродистые стали.

Содержание углерода в стали определяет ее структуру и свойства, так как с увеличением концентрации углерода в стали в ее структуре увеличивается количество цементита. Структура стали с содержанием углерода менее 0, 8 % состоит из феррита и перлита, при более высоком содержании углерода в структуре стали, кроме перлита, появляется структурно свободный вторичный цементит. Сталь со структурой феррита достаточно пластичная, но имеет низкую прочность; сталь со структурой цементита хрупкая, но имеет высокую твердость. С увеличением содержания углерода (до 0, 8-1, 0 %) увеличивается твердость и прочность нелегированных сталей, но уменьшается их вязкость и пластичность. Содержание углерода влияет на такие технологические свойства стали, как свариваемость, обрабатываемость давлением и резанием. Низкоуглеродистые стали используются для изготовления малонагруженных деталей и конструкций, среднеуглеродистые стали - основной конструкционный материал в общем и транспортном машиностроении, высокоуглеродистые стали используются для изготовления деталей с высокой износостойкостью, а также для изготовления измерительного, режущего, ударно-штампового инструмента.

На свойства стали влияет содержание постоянных (марганец, кремний, сера, фосфор) и скрытых (кислород, азот, водород) примесей. Полезными примесями являются марганец и кремний, которые вводят в сталь в процессе выплавки для раскисления. Вредными примесями в углеродистой стали являются сера и фосфор. Для улучшения физико-химических и технологических свойств применяют микролегирование углеродистой стали титаном, цирконием, бором, редкоземельными элементами.

Характерной чертой кипящей стали является незавершенный процесс ее раскисления. Эта сталь имеет повышенную пластичность, хорошо штампуется и сваривается. Она более дешевая, так как при ее выплавке расходуется минимальное количество специальных добавок и обеспечивается максимальный выход годного продукта. Недостатком кипящей стали является развитая ликвация, в результате которой прокат из ее неоднороден по структуре и механическим свойствам.

Спокойная сталь раскислена ферромарганцем , ферросилицием , алюминием и более однородна по составу. Остаточный алюминий снижает склонность к росту зерна, поэтому прочность и хладостойкость проката из спокойной и мелкозернистой стали выше, чем у проката из кипящей стали. Полуспокойная сталь характерна промежуточной степенью раскисления. В отличие от кипящей стали ее перед разливкой обрабатывают небольшим количеством раскислителей. По свойствам она занимает промежуточное положение между кипящей и спокойной сталями.

В углеродистых сталях обыкновенного качества допускается более высокое содержание вредных примесей, чем в качественных углеродистых сталях. Их выплавляют в крупных мартеновских печах и кислородных конвертерах, обозначают буквами Ст и цифрами от 0 до 6. Цифры указывают условный номер марки стали в зависимости от ее химического состава. Буквы кп, пс, сп в конце марки указывают на способ раскисления: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная. К углеродистым сталям обыкновенного качества относятся горячекатаная стать (сортовая, фасонная, толстолистовая, тонколистовая, широкополосная) и холоднокатаная сталь (тонколистовая).

К качественным углеродистым сталям предъявляются жесткие требования по содержанию вредных примесей (содержание серы не должно превышать 0, 04%, фосфора - 0, 035 %). Их выплавляют в электропечах, кислородных конвертерах, мартеновских печах. Качественные углеродистые стали маркируются двузначными цифрами (05, 10, 15), указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Буква А в конце марки указывает на улучшенное металлургическое качество. При обозначении кипящей или полуспокойной стали указывается степень раскисленности: кп, пс. У спокойной стали степень раскисленности не указывается.

Область применения углеродистой стали широка – она используется для создания инструментов, из нее изготавливаются несущие конструкции и элементы для машиностроения. В настоящее время это один из самых востребованных видов стали, так как она обладает уникальными свойствами. Ее эксплуатационные и технические свойства определяются компонентами и их соотношением в составе.

Состав

Для плавки стали используется углерод и дополнительные элементы. В зависимости от будущего назначения к материалу предъявляются определенные требования: твердость, пластичность, текучесть и т.д. Корректировку этих параметров можно осуществлять с помощью изменения % содержания углерода.

Его соотношение к общему объему является одним из основных условий разделения стали на виды.

Их отличительные качества и особенности описаны в нормативных документах:

• Обыкновенного качества – ГОСТ 380-85.
• Конструкционная – ГОСТ 380-88.
• Инструментальная – ГОСТ 1435-54 и ГОСТ 5952-51.

В зависимости от этого показателя сталь разделяют на несколько видов:

• Низкоуглеродистая – до 0,25%. Отличается хорошей пластичностью, относительно легко поддается деформации, как в холодном состоянии (годна ), так и под воздействием высоких температур.
• Среднеуглеродистые – от 0,3% до 0,6%. Обладает достаточной прочностью, но также имеет хорошие показатели пластичности и текучести, что важно для обработки. Область применения – элементы конструкций, эксплуатация которых подразумевает нормальные условия.
• Высокоуглеродистые – от 0,6% до 1,4%. Из нее изготавливают высокопрочный инструмент, приборы для измерения.

Каждый из этих видов стали имеет определенную область применения.

Обыкновенного качества

Это самый востребованный вид стали в настоящее время. Она производится в виде проката – листов, прутьев, швеллеров и балок. Благодаря своим свойствам может использоваться в качестве опорных конструкций, элементов машиностроения.

Для того чтобы узнать свойства определенного вида углеродистой стали обыкновенного качества. нужно знать принцип ее маркирования.

Обозначение всегда должно соответствовать ГОСТу. В названии указывается вид металла – СТ . Затем идет цифровой номер, определяющий содержание перлита и углерода. Чем больше номер – тем прочнее изделие. Нумерация может варьироваться от 0 до 6 . Затем в названии указывается способ раскисления — СП – спокойная; ПС – полуспокойная; КП – кипящая .

Помимо этого углеродистая сталь имеет разделение на три подвида.

В маркировке группа «А» не указывается. Если же сорт материала соответствует группам «Б» или «В» — эти буквы указывают в начале маркировки. При использовании в составе марганца с повышенным содержанием в названии марки используют букву «Г». Пример: БСт3Гпс – сталь группы «Б», с содержанием углерода, соответствующего обозначению «6», с добавлением марганца в полуспокойном состоянии.

Качественная

При изготовлении этих сортов стали предъявляются повышенные требования, как к химическому составу, так и к механическим свойствам. Помимо этого регламентируется содержание вредных компонентов.

• Сера – не более 0,04%.
• Фосфор – не более 0,035%.

Данные сорта обозначаются буквой «У». Следующие за ней цифры указывают % содержание углерода (в сотых долях процента). Такие марки стали используются для изготовления инструмента, ответственных элементов в машиностроении, а также при производстве точных измерительных приборов.

• У7 – применяется для производства зубил, штампов, кузнечного инструмента, .
• У8 и У8Г (с содержанием марганца) – пробойники, ножи по металлу, инструмент, предназначенный для обработки камня.
• У9 – инструмент для деревообработки, кернеры, штемпеля.
• У10 и У11 – метчики, развертки, плашки, полотна для ножовок.
• У12 и У13 – резцы для обработки твердого металла, сверла.

На что еще нужно обращать внимание при выборе углеродистой стали? Важно помнить, что чем лучше показатель твердости, тем более хрупким будет изделие. Так, для инструментальных сортов качественной стали характерна хорошая механическая прочность, низкая текучесть и пластичность.

Сталь является наиболее распространенным материалом в машиностроении. Создание новых более совершенных машин стимулирует создание марок сталей со свойствами, отвечающими современным требованиям в машиностроении. При этом ранее созданные марки сталей, с учетом новых технологий их производства, продолжают быть востребованы конструкторами при создании новых и совершенствовании действующих машин. Принято выделять следующие группы сталей:

• углеродистые стали, которые в общем объеме составляют примерно 80%,
• легированные стали конструкционные и инструментальные,
• стали с особыми свойствами специального назначения и др.

1. Стали углеродистые обыкновенного качества

Относятся к числу наиболее дешевых и широко применяемых. Из них получают до 70% всего проката – горячекатаного, сортового и фасонного толсто- и тонколистового, широкополосного и холоднокатаного тонколистового. Из этих сталей изготовляют трубы, поковки, штамповки, ленту, проволоку, металлические изделия (метизы): гвозди, канаты, сетки, болты, гайки, заклепки, а также мало- и средненагруженные детали; штифты, шайбы, шпонки, крышки, кожухи, а из стали номеров 4-6 – валы, винты, зубчатые колеса и шпиндели. Стали обыкновенного качества хорошо свариваются.

В зависимости от назначения углеродистые стали обыкновенного качества подразделяют (ГОСТ 380- 94) на три группы:

• А – поставляемые по механическим свойствам,
• Б – поставляемые по химическому составу,
• В – поставляемые по механическим свойствам и химическому составу.

В зависимости от нормируемых показателей (прочностная характеристика, химический состав) сталь каждой группы подразделяют на категории:

• группа А – 1, 2 и 3-я;
• группа Б – 1, 2,-я;
• группа В – 1, 2, 3, 4, 5, 6-я.

Буквы Ст означают «сталь», цифры от 0 до 6 – условный номер марки, характеризующий механические свойства стали. С увеличением номера марки повышаются предел прочности σ в и предел текучести σ т и уменьшается относительное удлинение δ. Для обозначения степени раскисления после номера марки ставятся индексы: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная (например: СтЗкп, СтЗпс, СтЗсп; табл. 1 и 2).

Механические свойства углеродистой стали обыкновенного качества группы А и примерное назначение углеродистой стали обыкновенного качества приведены в табл. 1.

Таблица 1. Стали углеродистые, их механические свойства и назначение

Для возможности распознания марок стали при складировании, прокат маркируют несмываемой краской. Для этого, независимо от группы и степени раскисления стали, используют краску цветов, указанных в табл. 2.

Таблица 2. Цвет маркировки стали углеродистой обыкновенного качества

2. Стали углеродистые качественные конструкционные

Являются основным металлом для изготовления деталей машин (валов, шпинделей, осей, зубчатых колес, шпонок, муфт, фланцев, фрикционных дисков, винтов, гайек, упоров, тяг, цилиндров гидроприводов, эксцентриков, звездочек цепных передач и др.), которые при взаимодействии в работающей машине воспринимают и передают различные по величине нагрузки. Эти металлы хорошо обрабатываются давлением и резанием, льются и свариваются, подвергаются термической, термомеханической и химико-термической обработке.

Различные специальные виды обработки обеспечивают вязкость, упругость и твердость сталей, позволяют делать из них детали, вязкие в сердцевине и твердые снаружи, что резко увеличивает их износостойкость и надежность. Из углеродистых качественных конструкционных сталей производят прокат, поковки, калиброванную сталь, сталь серебрянку, сортовую сталь, штамповки и слитки.

Таблица 3. Основные свойства стали углеродистой качественной конструкционной

Качественные конструкционные стали обладают более высокими механическими свойствами (ГОСТ 1050-88), чем стали обыкновенного качества, за счет меньшего содержания в них фосфора, серы и неметаллических включений. По видам обработки их делят на горячекатаную, кованую, калиброванную и серебрянку (со специальной отделкой поверхности).

Обозначение марки стали составляют из слова «Сталь» и двузначной цифры, которая указывает на среднее содержание углерода в сотых долях процента. Например, Сталь 25 содержит 0,25% углерода (допустимое количество углерода – 0,220,30 %), Сталь 60-0,60 % (допустимое количество -0,57-0,65%). Степень раскисления в марках спокойных сталей не отражается, а в марках полуспокойных и кипящих сталей, как и сталей обыкновенного качества, обозначается буквами «пс» и «кп» соответственно. В качественных конструкционных сталях всех марок допускается содержание серы не более 0,040% и фосфора – не более 0,035%.

Основные свойства углеродистой качественной конструкционной стали приведены в табл. 3, основное назначение – в табл. 4. Цвета маркировки приведены в табл. 5.

Таблица 4. Стали углеродистые качественные конструкционные, их основное назначение

Таблица 5. Цвета маркировки стали углеродистой качественной

3. Стали углеродистые инструментальные

Из инструментальных углеродистых сталей получают горячекатаную, кованую и калиброванную сталь, сталь серебрянку, сталь для сердечников, а также слитки, листы, ленту, проволоку и другую продукцию. Из этих сталей изготовляют режущий инструмент для обработки металлов, дерева и пластмасс, измерительный инструмент, штампы для холодного деформирования.

Теплостойкость инструментальных углеродистых сталей не превышает 200°С, при нагревании выше этой температуры они теряют свою твердость, а следовательно режущие свойства и износостойкость.

Инструментальные углеродистые стали условно можно разделить на две группы (ГОСТ 1435-99):

• качественные стали У7, У8, У8Г, У9, У10, У11, У12 и У13;
• высококачественные марок У7А, У8А, У8ГА, У9А, У10А, У НА, У12А и У13А.

В качественных инструментальных углеродистых сталях допускается содержание 0,03% серы и 0,035% фосфора, в высококачественных – 0,02% серы и 0,03% фосфора. Стали, полученные методом электрошлакового переплава, содержат до 0,015% серы. В зависимости от содержания хрома, никеля и меди инструментальные углеродистые стали подразделяются на пять групп:

• 1-я – качественные стали всех марок, предназначенные для изготовления продукции всех видов (кроме патенти- рованной проволоки и ленты);
• 2-я – высококачественные стали всех марок, предназначенные для тех же целей, что и стали первой группы;
• 3-я – стали марок У10А и У12А для изготовления сердечников;
• 4-я – стали всех марок для производства патентированной проволоки и ленты;
• 5-я – стали марок У7÷У13 для изготовления горяче- и холоднокатаных листов и лент, в том числе термически обработанных толщиной до 2,5 мм (кроме патентированной ленты), а также стали этих марок для производства горячекатаной и кованой сортовой стали и холоднотянутой шлифованной стали (серебрянки).

Инструментальная сталь должна обладать высокой твердостью (63÷64 HRC 3), значительно превышающей твердость обрабатываемого материала, износостойкостью и теплостойкостью (способностью сохранять свойства при высоких температурах).

Измерительный инструмент, изготовленный из такой стали, должен быть прочным (а в = 590÷640 МПа), длительное время сохранять заданные размеры и форму. Рабочие детали штампов и накатных роликов для холодного деформирования (вытяжки, гибки, высадки, пробивки отверстий, накатки, раскатки), сделанные из этой стали, должны иметь высокую твердость, обладать износостойкостью при достаточной вязкости. Все это достигается путем закалки с отпуском, а для измерительного инструмента и за счет искусственного старения. В табл. 6 приведены свойства углеродистой инструментальной стали, в табл. 7 – примерное назначение инструментальной углеродистой стали.

Таблица 6. Свойства стали углеродистой инструментальной (ГОСТ 1435 - 74)

Таблица 7. Примерное назначение стали углеродистой инструментальной

Как правило, изготовлению инструмента предшествует отжиг на зернистый цементит, который способствует лучшей обрабатываемости резанием и уменьшает коробление деталей при закалке.

Углеродистые стали содержат в своем составе углерод до 2,14%, марганец (до 0,8%), кремний (до 0,35%), серу (до 0,06%) и фосфор (до 0,07%). Перечисленные элементы всегда присутствуют в стали, и поэтому их классифицируют как постоянные примеси . Марганец и кремний вводят в стали с целью раскисления, присутствие серы и фосфора объясняется трудностью удаления их при выплавке.

Кремний растворяется в феррите и сильно упрочняет его, снижая при этом пластичность и значительно повышая предел текучести. При этом уменьшается способность стали к вытяжке и холодной высадке. Поэтому в сталях, предназначенных для холодной штамповки, содержание кремния должно быть сниженным.

Марганец повышает прочность феррита и уменьшает красноломкость стали, которую вызывает сера. С железом сера образует сульфид FeS, который практически не растворяется в железе и образует с ним эвтектику (Fe + FeS), плавящуюся при температуре 988°С. При кристаллизации эта эвтектика размещается вокруг зерен в виде оторочек. Во время горячей обработки при нагреве выше 1000°С эвтектика плавится, что приводит к нарушению связи между зернами и в металле при деформации возникают надрывы и трещины. Это явление называется красноломкостью стали. При наличии марганца в стали вместо сульфида железа образуется сульфид марганца MnS с температурой плавления 1620°С, благодаря чему устраняется явление красноломкости.

Соединения серы снижают механические свойства, особенно ударную вязкость и пластичность, резко снижают работу развития вязкой трещины и вязкость разрушения К 1С . Сульфиды ухудшают свариваемость и коррозийную стойкость.

Фосфор в малых количествах растворяется в железе, образуя твердый раствор. Растворяясь в феррите, фосфор уменьшает его пластичность и вязкость и резко повышает порог хладноломкости стали. Каждая 0,01% фосфора повышает переходную температуру хладноломкости на 20...25 о С. При повышенном содержании фосфор с железом образует фосфиды Fe 3 Р и Fe 2 P, которые в составе эвтектики размещаются по границам зерен и снижают прочность стали.

Существуют в сталях так называемые скрытые примеси, к которым относят кислород 0,002...0,008%), азот (0,002...0,007%), водород (0,0001...0,0007%). Эти примеси могут находиться в стали в виде хрупких неметаллических включений (FeO, Al 2 O 3 , Fe 4 N) или твердого раствора, а также быть в свободном виде в дефектных участках металла (трещинах, раковинах и др.). При плавлении они растворяются в стали, а затем выделяются при охлаждении, главным образом, по границам зерен, что снижает сопротивление хрупкому разрушению. Кроме того, неметаллические включения есть концентраторами напряжений. Наличие водорода становится причиной возникновения в легированных сталях флокенов (микронесплошностей металла диаметром до 10…15 мм в центральной части поковки).

Неметаллические включения являются хрупкими и во время прокатки разбиваются, располагаясь в стали в виде цепочек. При этом образуются микроскопические концентраторы напряжений, что снижает характеристики усталости и ударную вязкость.

Некоторые примеси попадают в сталь при выплавке из скрапа и называются случайными . К таким примесям относятся хром, никель, медь при наличии до 0,3%. Влияние их в таком количестве на свойства сталей незначительно.

Наибольшее влияние на свойства стали имеет углерод. На рисунке 6 приведены кривые зависимости прочности и пластичности стали от содержания в ней углерода. Видно, что углерод очень резко повышает свойства прочности при одновременном снижении пластичности и вязкости. Это объясняется тем, что цементитные включения тормозят передвижение дислокаций в феррите и, естественно, при увеличении количества повышается их влияние.

При увеличении количества углерода переходная температура хладноломкости стали резко повышается. Каждая 0,1% С повышает на 20 о С температуру перехода от вязкого к хрупкому разрушению.

Углерод влияет также и на другие физические свойства стали, в частности, с повышением количества углерода увеличивается электросопротивление и коэрцитивная сила, а магнитная проницаемость уменьшается.

Углеродистые стали подразделяются по способу производства в зависимости от используемых плавильных агрегатов на конверторную, мартеновскую и электросталь. При этом по способу раскисления сталь может быть кипящей (раскислена только марганцем), полуспокойной (раскислена марганцем и кремнием) и спокойной (раскислена марганцем, кремнием и алюминием).

Рисунок 6 - Зависимость механических свойств стали (а) и

фазового состава (б) от содержания углерода

1.4.2.1 Классификация и маркировка углеродистых сталей

По структуре в равновесном состоянии различают доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные стали. Доэвтектоидные стали содержат углерода от 0,025 до 0,8%, их структура состоит из феррита и перлита. Содержание углерода в эвтектоидной стали составляет 0,8% С при полностью перлитной структуре. В заэвтектоидных сталях наряду с перлитной составляющей образуются цементитные включения, а содержание углерода может изменяться от 0,8 до 2,14%.

Наиболее распространена классификация углеродистых сталей по качеству, которое определяется содержанием серы и фосфора, В соответствии с этим признаком стали бывают обыкновенного качества, качественные и высококачественные.

Углеродистые стали обыкновенного качества (табл. 1) маркируются буквами Ст , что означает сталь. После Ст следует условный номер марки от 0 до 6, который отображает химический состав стали. Степень раскисления стали указывается буквами кп, пс, сп , которые означают, соответственно, кипящую (раскисленную марганцем), полуспокойную (раскисленную марганцем и кремнием), спокойную (раскисленную марганцем, кремнием и алюминием). Массовая доля серы в сталях всех марок £ 0,050%, фосфора – £ 0,040%, в Ст0 серы – £0,060%, фосфора – £ 0,070%.

Достаточно часто встречается еще маркировка прошлых лет, в соответствии с которой все стали обыкновенного качества подразделяются на три группы.

Группа А – маркируются Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6.

Группа Б – маркируются буквами М, К, Б (что указывает на способ производства – мартеновский, конверторный, бессемеровский), а затем Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5,Ст6.

Группа В – маркируются ВСт1, ВСт2, ВСт3, ВСт4, ВСт5, ВСт6.

Стали группы А поставляются с гарантированными механическими свойствами. Они не поддаются горячей обработке. Чем больше номер, тем выше прочность, но ниже пластичность стали.

Стали группы Б поставляются с гарантированным химическим составом и у потребителя могут подвергаться горячей обработке (например, ковке и термической обработке).

Стали группы В поставляются с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (применяются для сварных конструкций).

Таблица 1 - Химический состав углеродистых сталей обыкновенного

качества

Стали всех групп с номерами марок 1, 2, 3, 4 по степени раскисления изготавливают кипящими, полуспокойными, спокойными, а стали с номерами 5 и 6 – полуспокойными и спокойными.

Углеродистые качественные стали отличаются от сталей обыкновенного качества меньшим содержанием серы (не более 0,04%) и фосфора (не более 0,035%), а также меньшим количеством неметаллических включений. Химический состав этих сталей ограничивается более узким диапазоном. Качественные углеродистые стали маркируются словом сталь и последующим двузначным числом, которое показывает среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента, например, 08, 10, 15 и т.д. (табл. 2).

Таблица 2 - Состав и механические свойства качественных углеродистых сталей

При обозначении кипящей или полуспокойной стали в конце марки указывается степень раскисления буквами кп, пс . В случае спокойной стали степень раскисления не указывается. К качественным углеродистым сталям относятся также стали с повышенным содержанием марганца (0,7 - 1,0%). Такие стали имеют в конце марки букву Г .

Для изделий ответственного назначения применяют высококачественные стали с более низким содержанием серы (до 0,025%) и фосфора (до 0,025%). При обозначении высококачественных сталей в конце марки добавляется буква А.

Качественные углеродистые стали подразделяются на низко-, средне- и высокоуглеродистые в зависимости от содержания углерода. К низкоуглеродистым сталям высокой пластичности и малой прочности относятся стали 08, 08кп, 10, 10кп, 15, 15Г..., 25Г, которые используются для изготовления малонагруженных деталей (кулачковых валов, осей, втулок). Термическая обработка (закалка с отпуском, цементация) значительно повышает прочность и вязкость изделий из этих материалов, что позволяет создавать более легкие конструкции и экономить металл. Среднеуглеродистые стали (с содержанием углерода 0,3...0,55%) в зависимости от требуемых механических свойств используются после нормализации, закалки с высокотемпературным отпуском, закалки ТВЧ и низкотемпературного отпуска. Из этих сталей изготовляют валы, шестерни, шатуны, шпиндели и т.д.

Высокоуглеродистые стали содержат углерода от 0,6 до 0,85% и характеризуются высокими прочностными и упругими свойствами, повышенной износостойкостью. После закалки и отпуска или закалки с нагревом ТВЧ детали из этих сталей могут работать в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок. Из этих сталей изготавливают канатную проволоку, а также пружинную проволоку после патентования.

Углеродистые стали, которые содержат 0,7...1,3%С, используются для изготовления ударного и режущего инструмента. Их маркируют У7...У13 , где У обозначает углеродистую сталь, а цифра – содержание углерода в десятых долях процента.

К положительным качествам углеродистых сталей относится их достаточно высокий комплекс механических свойств, который обеспечивается проведением термической обработки. Углеродистые стали имеют хорошие технологические свойства. Они недефицитны и дешевы.

Основным недостатком углеродистых сталей является их низкая прокаливаемость (до 15 мм).

Чугуны

1.4.3.1 Общие сведения

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, количество которого превышает 2,14%. Значительная часть выплавляемого чугуна переплавляется в сталь, однако не менее чем 20% выплавляемого чугуна используют для изготовления литых деталей.

Чугуны отличаются высокими литейными свойствами и являются одними из основных современных литейных материалов. Около 75% всех отливок изготавливают из чугуна. Более низкая по сравнению со сталями температура плавления и завершение кристаллизации при постоянной температуре (образование эвтектики) обеспечивают более высокие литейные характеристики: жидкотекучесть и заполняемость формы, усадку и меньшую склонность к образованию усадочных трещин.

Из-за низкой пластичности чугуны не подвергаются обработке давлением.

В зависимости от химического состава и условий кристаллизации углерод в чугунах может находиться в химически связанном состоянии в виде цементита или в свободном состоянии в виде графита. В соответствии с этим различают белые чугуны (углерод находится в виде цементита) и серые (углерод находится в виде графитных включений).

В белых чугунах фазовые превращения происходят в соответствии с диаграммой Fe-Fe 3 C. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на доэвтектические (2,14…4,3%С), эвтектические (4,3%С) и заэвтектические (4,3…6,67%С).

В доэвтектических чугунах структурными составляющими при комнатной температуре являются перлит, ледебурит и цементит; в эвтектических – ледебурит; в заэвтектических – ледебурит и цементит.

Белые чугуны имеют высокую твердость (450…550НВ и выше), обусловленную наличием в них большого количества цементита. Одновременно с высокой твердостью для белых чугунов характерна высокая хрупкость, что исключает их использование для изготовления деталей машин. Находят применение отливки из белых чугунов, которые служат для получения деталей из ковкого чугуна путем проведения графитизирующего отжига. Также находят применение отливки с поверхностным слоем (12…30 мм) из белого чугуна и сердцевиной из серого чугуна. Наличие «отбеленного» поверхностного слоя обеспечивает высокую изностойкость такой отливки.

Промышленное значение имеют серые чугуны, в которых углерод находится в виде графитных включений, и поэтому важное значение приобретают условия их образования, т. е. процесс графитизации.

Графит содержит 100% углерода, а концентрация углерода в цементите составляет всего 6,67%. Кристаллические структуры аустенита и графита существенно различаются, в то время, как кристаллические структуры аустенита и цементита более подобны по своему строению. Поэтому образование цементита из жидкой фазы и из аустенита должно протекать легче, чем графита, поскольку работа образования зародыша и необходимые для этого диффузионные процессы не столь значительны.

Однако смесь феррит + графит или аустенит + графит обладает меньшой свободной энергией, чем смесь феррит + цементит или аустенит + цементит , следовательно, термодинамические факторы способствуют образованию не цементита, а графита.

В силу перечисленных обстоятельств при быстром охлаждении и затруднении диффузионных процессов происходит образование цементита, а при медленном охлаждении определяющим является стремление к минимизации свободной энергии, что приводит к образованию графита.

Серые чугуны различаются по форме графитных включений. Графит, который образуется в чугунах в процессе кристаллизации и последующего охлаждения имеет пластинчатую форму, а чугуны с таким графитом называются собственно серыми .

Образование графита вследствие распада цементита имеет место не только при кристаллизации и охлаждении, но и при нагреве белого чугуна до высоких температур. Это явление используется при производстве так называемого ковкого чугуна. В этом случае центры графитизации растут более или менее равномерно во все стороны и образуются графитные включения хлопьевидной формы. Чугун с таким графитом называют ковким чугуном.

Чугун с шаровидной формой графита, которую получают вследствие модификации магнием и церием, называют высокопрочным чугуном.

Чугуны, так же как и стали, являются многокомпонентными сплавами, в состав которых входят Fe, C, Si, Mn, P и S.

Углерод оказывает определяющее значение на качество чугунов, изменяя литейные свойства и количество графитных включений. Чем выше его концентрация, тем больше выделений графита и ниже механические свойства чугуна, поэтому содержание углерода в промышленных чугунах не превышает 3,8%. Нижний предел содержания углерода составляет 2,4% и лимитируется необходимостью обеспечения достаточных литейных свойств.

Кремний обладает сильным графитизирующим действием, он способствует выделению графита в процессе затвердевания и разложению уже образовавшегося цементита. Содержание кремния в чугунах колеблется от 0,3 до 5%.

Марганец затрудняет протекание процессов графитизации и незначительно улучшает механические свойства чугунов. Количество марганца в чугунах может изменяться в пределах 0,5…1%.

Сера по своей отбеливающей способности в 5 - 6 раз превосходит марганец. Кроме этого, сера снижает жидкотекучесть, увеличивает усадку и повышает склонность к образованию трещин. Поэтому сера является вредной примесью и её содержание в чугунах не превышает 0,15%.

Фосфор практически не влияет на графитизацию. Его предельная растворимость в феррите составляет 0,3%. При большем содержании фосфор образует с железом и углеродом тройную фосфидную эвтектику с температурой плавления 950 о С, что увеличивает жидкотекучесть чугунов. Однако эта эвтектика имеет высокую твердость и хрупкость, поэтому повышенное содержание фосфора в отливках до 0,7% допускается лишь при необходимости обеспечения высокой изностойкости. Для художественного литья используются чугуны с содержанием фосфора до 1%.

Из легирующих элементов степень графитизации увеличивают никель и медь, а хром затрудняет процесс образования графита.

Графитные включения влияют на механические свойства отливок, поскольку могут рассматриваться как пустоты соответствующей формы, возле которых концентрируются напряжения. Величина этих напряжений тем больше, чем острее дефект, поэтому в наибольшей мере разупрочняется металл при наличии графитных включений пластинчатой формы, менее опасной является хлопьевидная форма графита, а наиболее приемлемой – шаровидная форма графита. Наибольшее влияние графитные включения оказывают на сопротивление материалов разрушению при жестких способах нагрузки (ударных и растягивающих) и практически не влияют при действии сжимающих нагрузок. Наименьшую пластичность имеют чугуны с пластинчатым графитом (δ = 0,2...0,5%), промежуточную (δ = 5...10%) – с хлопьевидным графитом и наибольшую – с шаровидным графитом (δ £ 15%).

По структуре металлической основы серые, ковкие и высокопрочные чугуны подразделяются на ферритные, ферритно-перлитные и перлитные.

Металлическая основа в чугуне обеспечивает наибольшую прочность и износостойкость, если она имеет перлитную структуру. Присутствие в структуре феррита, не увеличивая пластичность и вязкость чугуна, снижает его прочность и износостойкость. Наименьшей прочностью обладает серый ферритный чугун.

Как конструкционный материал чугуны обладают следующими положительными свойствами. Наличие графита улучшает обработку резанием, поскольку стружка ломается на графитных включениях. По сравнению со сталью чугуны имеют лучшие антифрикционные свойства, в силу того, что графитные включения сами являются смазкой. Чугун прекрасно гасит вибрации и имеет повышенную циклическую вязкость благодаря микропустотам, которые заполнены графитом. Детали из чугуна не столь чувствительны к внешним концентраторам напряжений (выточкам, отверстиям и т. п.) по сравнению со стальными деталями. Чугуны дешевле сталей из-за более простой технологии производства.

Углеродистая сталь отличается содержанием углерода до 2,14% без наличия легирующих элементов, небольшим количеством примесей в составе, и небольшим содержанием магния, кремния и марганца. Это в свою очередь влияет на свойства и особенность применения. Она является основным видом продукции металлургической промышленности.

Состав

В зависимости от количества углерода, разделяют углеродистую и легированную сталь. Наличие углерода придает материалу прочность и твердость, а также уменьшает вязкость и пластичность. Его содержание в сплаве на уровне до 2,14%, а минимальное количество примесей, обусловленное технологическим процессом изготовления, позволяет основной массе до 99,5% состоять из железа.

Высокая прочность и твёрдость - вот что характеризует углеродистую сталь.

Примеси, которые постоянно входят в структуру углеродистой стали, имеют небольшое содержание. Марганец и кремний не превышают 1 %, а сера и фосфор находятся в пределах 0,1 %. Увеличение количества примесей характерно для другого типа стали, который называют легированным.

Отсутствие технической возможности полного удаления примесей из готового сплава, позволяет входить в состав углеродистой стали таким элементам как:

• водороду;
• азоту;
• кислороду;
• кремнию;
• марганцу;
• фосфору;
• сере.

Наличие этих веществ обусловлено методом плавки стали: конвертерным, мартеновским или другим. А углерод, добавляется специально. Если количество примесей, трудно отрегулировать, то корректируя уровень углерода, в составе будущего сплава, влияют на свойства готового изделия. При наполнении материала углеродом до 2,4 %, стали относят к углеродистым.

Характеристика

Характеристики и структуру металла меняют, используя термическую обработку, посредством которой, достигают нужной твердости поверхности или других требований для применения стальной конструкции. Однако, не все структурные свойства поддаются корректировке с помощью термических методов. К таким структурно-нечуствительным характеристикам относят жесткость, выраженную модулем упругости или модулем сдвига. Это учитывают при проектировании ответственных узлов и механизмов в различных сферах машиностроения.

В случаях, когда расчет прочности узла требует применения деталей малых размеров, способных выдержать требуемую нагрузку, применяют термическую обработку. Такое воздействие на «сырую» сталь позволяет увеличить жесткость материала в 2-3 раза. К металлу, который подвергают такому процессу, предъявляют требования по количеству углерода и других примесей. Называют эту сталь - повышенного качества.

Классификация углеродистых сталей

По направленности применения продукции, углеродистую сталь разделяют на инструментальную и конструкционную.

Последнюю из них используют для возведения различных строений и остовов деталей. Из инструментальных, изготавливают прочный инструмент для выполнения любых работ, вплоть до обработки металлов резанием. Применение металлических изделий в хозяйстве, потребовало выделить сталь в разные категории, обладающие специфическими свойствами: жаропрочную, криогенную и коррозионно-стойкую.

По способу получения углеродистые стали делят на:

• электростали;
• мартеновские;
• кислородно-конвертерные.

Различия структуры сплава обусловлены наличием разных примесей, характерных для того или иного способа плавки.

Отношение стали к химически активным средам, позволило разделить изделия на:

• кипящие;
• полуспокойные;
• спокойные.

1. заэвтектоидные, в которых количество углерода превышает 0,8 %;
2. эвтектоидные, с содержанием на уровне 0,8 %;
3. доэвтектоидные - менее 0,8 %.

Именно структура, является характерным признаком, при определении состояния металла. У доэвтектоидных сталей, структура состоит из перлита и феррита. У эвтектоидных - чистый перлит, а заэвтектоидные, характеризуются перлитом с примесями вторичного цементита.

При увеличении количества углерода, сталь повышает прочность и уменьшает пластичность. Большое влияние оказывается также на вязкость и хрупкость материала. При повышении процентного содержания углерода, уменьшается ударная вязкость и повышается ломкость материала. Не случайно, при содержании, на уровне более 2,4 %, металлические сплавы относят уже к чугунам.

По количеству углерода, в составе сплава, сталь бывает:

1. низкоуглеродистая (до 0,29 %);
2. среднеуглеродистая (от 0,3 до 0,6 %);
3. высокоуглеродистая (более 0,6 %).

Маркировка

При обозначении углеродистых сталей обычного качества, используют буквы Ст, которые сопровождаются цифрами, характеризующими содержание углерода. Одна цифра показывает количество, увеличенное в 10, а две цифры - в 100 раз. При гарантии механического состава сплава, перед обозначением добавляют Б, а соблюдение химических составляющих веществ - В.

В окончании маркировки, две буквы показывают степень раскисления: пс - полуспокойного, кп - кипящего состояния сплавов. Для спокойных металлов этот показатель не указывают. Увеличенное количество марганца в структуре изделия, обозначают буквой Г.

При обозначении углеродистых сталей высокого качества, используемых при изготовлении инструментов, применяют букву У, рядом с которой прописывают число, подтверждающее количество процентов углерода в 10-кратном размере, независимо от того, будет оно двухзначным или однозначным. Для выделения сплавов повышенного качества, к обозначению инструментальных сталей добавляют букву А.

Примеры обозначения углеродистых сталей: У8, У12А, Ст4кп, ВСт3, Ст2Г, БСт5пс.

Производство

Изготовлением металлических сплавов занимается металлургическая промышленность. Специфика процесса получения углеродистой стали, заключается в переработке чугунных заготовок с уменьшением таких взвесей, как сера и фосфор, а также углерод, до требуемой концентрации. Различия методики окисления, посредством которой удаляют углерод, позволяет выделить различные виды плавки.

Кислородно-конвертерный способ

Основой методики был бессемеровский метод, который предусматривает продувку жидкого чугуна воздухом. Во время этого процесса, углерод окислялся и удалялся из сплава, после чего, чугунные слитки постепенно превращаются в сталь. Производительность данной методики высока, но сера и фосфор оставались в металле. Кроме того, углеродистая сталь насыщается газами, в том числе, азотом. Это улучшает прочность, но снижает пластичность, сталь становится более склонной к старению и изобилию неметаллическими элементами.

Учитывая низкое качество стали, получаемой бессемеровским методом, его перестали использовать. На замену пришел кислородно-конвертерный способ, отличием которого является использование чистого кислорода, вместо воздуха, при выполнении продувки жидкого чугуна. Использование определенных технических условий, при продувке, значительно снизило количество азота и других вредных примесей. В результате, углеродистая сталь, полученная кислородно-конвертерным способом, по качеству приближена к сплавам, переплавляемым в мартеновских печах.

Технико-экономические показатели конверторного способа подтверждают целесообразность такой плавки и позволяют вытеснить устаревшие методы изготовления стали.

Мартеновский метод

Особенностью способа получения углеродистой стали, является выжигание углерода из чугунных сплавов не только с помощью воздуха, но и за счет добавления железных руд и ржавых изделий из металла. Этот процесс обычно происходит внутри печей, к которым подводят подогретый воздух и горючий газ.

Размер таких плавильных ванн очень велик, они могут вмещать до 500 тонн расплавленного металла. Температура в таких емкостях поддерживается на уровне 1700 ºC, а выжигание углерода происходит в несколько этапов. Сначала, благодаря избытку кислорода в горючих газах, а когда образуется шлак над расплавленным металлом, посредством оксидов железа. При их взаимодействии образуются шлаки фосфатов и силикатов, которые, в дальнейшем удаляются и сталь приобретает требуемые по качеству свойства.

Плавка стали в мартеновских печах проходит около 7 часов. Это позволяет отрегулировать нужный состав сплава, при добавлении различных руд или лома. Углеродистая сталь давно изготавливается этим методом. Такие печи, в наше время, можно найти на территории стран бывшего Советского Союза, а также - в Индии.

Электротермический способ

Изготовить качественную сталь с минимальным содержанием вредных примесей, удается при плавке в вакуумных топках электродуговых или индукционных печей. Благодаря улучшенным свойствам электростали, удается изготовить жаростойкие и инструментальные сплавы. Процесс преобразования сырья в углеродистую сталь, происходит в вакууме, благодаря чему качество полученных заготовок, будет выше, относительно рассмотренных ранее методов.

Стоимость такой обработки металлов дороже, поэтому данный метод используют при технологической необходимости в качественном изделии. Для удешевления технологического процесса используют специальный ковш, который разогревают внутри вакуумной емкости.

Применение

Углеродистая сталь, благодаря своим свойствам, нашла широкое применение в различных отраслях народного хозяйства, особенно, в машиностроении. Использование в конструкторских расчетах способности металла сопротивляться нагрузкам и иметь высокие пределы усталости, позволяет изготавливать из углеродистой стали такие ответственные детали машин, как: маховики, зубчатые передачи редукторов, корпуса шатунов, коленчатые валы, поршни плунжерных насосов, технологическую оснастку для деревообрабатывающей и легкой промышленности.

Высокоуглеродистые стали с увеличенным количеством марганца, применяют для изготовления таких деталей, как пружины, рессоры, торсионы и подобные узлы, требующие упругости сплава. Инструментальные сплавы повышенного качества, широко применяют при производстве инструментов, которыми обрабатывают металлы: резцы, сверла, зенковки.